Reflekterende antiferromagnetiske arrangementer

Et hold ledet af Rutgers University og inklusive forskere fra US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har demonstreret en røntgenbilledteknik, der kunne muliggøre udviklingen af ​​mindre, hurtigere, og mere robust elektronik.

Beskrevet i et papir offentliggjort den 27. november i Naturkommunikation , Teknikken adresserer en primær begrænsning i det nye forskningsfelt "spintronics, "eller spin elektronik, ved hjælp af magnetiske materialer kendt som antiferromagneter (AFM'er):evnen til at afbilde antifase magnetiske domæner.

Elektroner i magnetiske atomer peger, eller "spin, " i en op- eller nedadgående retning. I alle magnetiske materialer, der er adskilte områder - magnetiske domæner - hvor elektronspindene er arrangeret på en regelmæssig måde. Flere konfigurationer er mulige afhængigt af typen af ​​magnetisme. I AFM'er, spins på tilstødende atomer peger i modsatte retninger (f.eks. op-ned-op-ned). Mens spins inden for hvert domæne er ensartet ordnet, dem inden for tilstødende domæner er justeret på en anden måde. For eksempel, i AFM'er, spins i ét domæne kan alle være arrangeret i et op-ned-mønster, mens du er nede og op i et tilstødende domæne. Billeddannelse af disse "modfase"-domæner og overgangene (væggene), der eksisterer mellem dem, er det første skridt i at være i stand til at manipulere den magnetiske tilstand af AFM'er for at udvikle spintroniske enheder.

"Ultimativt, målet er at kontrollere antallet, form, størrelse, og domænernes placering, " sagde medforfatter Claudio Mazzoli, ledende videnskabsmand ved Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) beamline ved Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en DOE Office of Science User Facility - hvor teknikken blev demonstreret. "Generelt, domænevæggenes elektroniske egenskaber kan være forskellige fra dem i hovedparten af ​​materialet, og vi kan drage fordel af dette faktum. At finde en måde at kontrollere domænerne og deres vægge ved hjælp af eksterne forstyrrelser er nøglen til at udvikle enheder, der effektivt kan lagre og behandle information."

Fra opladning til spin

Konventionel elektronik såsom computerchips er afhængig af transport af elektriske ladningsbærere, eller elektroner, at operere. Når disse ladninger bevæger sig rundt, de spreder energi i form af varme, begrænser enhedens effektivitet.

Spintronics udnytter en anden iboende egenskab ved elektroner:spin. Fordi elektronspin kan vendes fra en magnetisk polaritet til en anden meget hurtigere, end ladning kan flyttes rundt, enheder baseret på spintronics kan være iboende hurtigere end nutidens elektronik.

Til dato, de fleste spintroniske enheder har været baseret på ferromagneter (FM'er) - den type magneter, vi er mest bekendt med, som det ses på køleskabe og på computerharddiske. Som svar på et eksternt magnetfelt, domænerne i FM'er justeres på en parallel måde i henhold til feltets retning.

Imidlertid, AFM'er tilbyder flere fordele i forhold til FM'er. For eksempel, fordi spins i AFM'er annullerer, disse materialer har ingen storskala magnetisme. Dermed, deres spin-orientering kan vendes endnu hurtigere, og de genererer ikke omstrejfende magnetiske felter, der kan interferere med andre magnetiseringskilder. Ud over, de er meget mere modstandsdygtige over for eksterne magnetiske felter.

"Antiferromagneter er i sig selv bedre beskyttet mod at miste information gennem interaktioner med miljøet, herunder mellem domæner, " forklarede seniorforfatter og Rutgers fysikprofessor Valery Kiryukhin. "Således, enheder baseret på AFM-materialer kan gøres mindre, med information pakket tættere sammen for at give højere lagerkapacitet."

Men de samme egenskaber, der gør AFM'er tiltalende for spintronics, gør også disse materialer vanskelige at kontrollere.

"For at kontrollere dem, Vi skal først besvare meget grundlæggende spørgsmål, såsom hvordan domænerne er arrangeret i rummet, og hvordan de og deres vægge bevæger sig som reaktion på eksterne forstyrrelser som temperaturændringer, elektriske felter, og lysimpulser, " sagde Mazzoli.

Antiferromagnetiske refleksioner

I dette studie, videnskabsmændene rettede en sammenhængende stråle af røntgenstråler fra CSX-strålelinjen gennem et cirkulært nålehul for at belyse den magnetiske rækkefølge af en jernbaseret AFM-prøve syntetiseret af medlemmer af Rutgers' Institut for Fysik og Astronomi, herunder Kiryukhin og førsteforfatter og postdoc-medarbejder Min Gyu Kim. De sætter beamline røntgenstrålerne til en energi, der resonerer med (tæt på) energien fra spins i materialet. En detektor fangede intensiteten af ​​lyset, da det reflekterede fra prøven.

"Du kan se ridserne på din mobiltelefons skærm, når lyset reflekteres fra den overflade, " sagde Mazzoli. "Vi anvendte den samme slags princip her, men stolede på magnetiske refleksioner i stedet for overfladerefleksioner. De magnetiske refleksioner optræder kun inden for en meget snæver grænse for spredningsvinkler og forhold."

"Fordi den indkommende stråle er kohærent - alle fotoner, eller lette partikler, vinke sammen på en organiseret måde – vi var i stand til direkte at se, hvordan to domæner er forskellige, og hvordan de interfererer med hinanden, " sagde medforfatter Mark Dean, en fysiker i Brookhaven Lab's Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) afdeling. "Interferensen, som afsløret i detektormønstrene, hvor der er en reduktion i signalintensiteten, fortalte os, hvor domænegrænserne er."

Selvom denne magnetiske diffraktionsteknik er velkendt, denne undersøgelse repræsenterer første gang, den med succes er blevet anvendt til billeddannelse af antifasedomæne i AFM'er.

"Denne helt nye evne til at afbilde antiferromagnetiske domænegrænser er kun mulig på grund af strålelinjens enestående sammenhæng, " sagde Ian Robinson, Røntgenspredningsgruppeleder og seniorfysiker i CMPMS Afdelingen. "Spredningsbidragene fra to antifasedomæner har nøjagtig samme størrelse. De adskiller sig kun i deres fase, som opfanges med sammenhængende røntgenstråler ved interferens på detektoren."

På brøkdele af et sekund, et fuldstændigt billede af udvidede områder (hundredevis af mikron gange hundreder af mikron) af prøven genereres, uden at skulle flytte noget instrument. I andre magnetiske billeddannelsesteknikker, en sonde skal scannes over overfladen på flere punkter, eller der kræves beregninger for at projicere de resulterende detektormønstre på billeder i det virkelige rum, som vores øjne kan forstå.

"Vi tager i bund og grund et billede, " sagde Mazzoli. "Udlæsningen af ​​alle pixels i detektoren danner et fuldfeltsbillede i et enkelt skud. Billeder, der dækker endnu større områder i millimeterstørrelse, kan opnås ved at sy flere billeder sammen."

Teknikkens hastighed gør den ideel til dynamiske eksperimenter. Her, forskerne undersøgte, hvordan de magnetiske domæner ændrede sig i realtid, da de opvarmede prøven for at "smelte" (fjerne) dens antiferromagnetiske orden og afkølede den for at bringe rækkefølgen tilbage i form af domænearrangementet. De opdagede, at nogle af domænerne var frie til at bevæge sig med hver termisk cyklus, mens andre ikke var.

Fremadrettet, holdet planlægger at teste teknikken ved hjælp af andre AFM'er og forskellige klasser af materialer. Holdet planlægger også at forbedre den nuværende opløsning af teknikken til under 100 nanometer ved at omkonfigurere den eksperimentelle opsætning. Denne forbedrede opløsning ville sætte dem i stand til at bestemme domænets vægtykkelse.

"At designe en spintronic enhed, du skal kende den magnetiske konfiguration af materialerne, " sagde Dean. "Vores håb er, at vi i sidste ende vil være i stand til at bruge denne teknik til at se, hvordan magnetisme virker i forhold tæt på enheden."